انرژی هسته‌ای برق کارآمد و مطمئنی را در سراسر جهان فراهم می‌کند. امروزه بیش از ۴۰۰ راکتور هسته‌ای در بیش از ۳۱ کشور جهان فعال بوده و برق تولید می‌کنند. در این مطلب خواهید فهمید که چگونه از هسته‌ی اتمی با ابعاد بسیار بسیار کوچک می‌توان برق صدها هزار مشترک را تولید کرد. این انرژی در کنار اترژی تولید شده در نیروگاه خورشیدی یکی از بهترین گزینه‌های تولید برق است.
انرژی هسته‌ای
تعریف رایج برای انرژی هسته‌ای انرژی آزاد شده توسط یک واکنش زنجیره‌ای، به ویژه در اثر فرآیند شکافت یا همجوشی است. در صنعت انرژی هسته‌ای از نظر عملی، از طریق سوخت تأمینی از اورانیوم استخراج شده و فرآوری شده برای تولید بخار و تولید برق استفاده می‌شود.
انرژی هسته‌ای تنها تولیدکننده‌ی الکتریسیته‌ای است که می‌تواند منبع ثابتی را از برق (که به عنوان نیروی بار پایه شناخته می‌شود) بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای و به طور مطمئنی تولید کند. مطمئن یا قابل اعتماد بودن در این‌جا بدان معناست که اگر اتفاق غیرمترقبه‌ای رخ ندهد، تولید برق متوقف نخواهد شد. مثلاً در نیروگاه خورشیدی مثل نیروگاه خورشیدی فولاد مبارکه اصفهان با ابری شدن هوا ممکن است در روند تولید برق اختلال به وجود بیاید یا توربین‌های بادی با کند شدن سرعت جریان هوا، کاهشی را در تولید برق تجربه خواهند کرد.
همچنین انرژی هسته‌ای همانند نیروگاه خورشیدی آفتاب شرق از نیروگاه‌های شرکت صنایع نیرو و انرژی پاک فولاد (صناپ) یکی از کم‌ترین تأثیرات زیست محیطی را بر زمین و منابع طبیعی نسبت به سایر منابع تولید برق دارد.
تولید انرژی از اتم
در صنعت انرژی هسته‌ای با آزاد شدن مقادیر زیادی انرژی از طریق پدیده‌های شکافت هسته‌ای و همجوشی هسته‌ای می‌توان مقادیر زیادی برق تولید کرد. پدیده‌های همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای برای تولید برق در یک نقطه‌ی منحصر به فرد به نام اتم با یکدیگر اشتراک دارند.
فرآیند شکافت همانطور که از نامش پیداست از شکافتن یا تقسیم یک اتم سنگین به ۲ اتم سبک با آزاد شدن مقادیر زیادی از انرژی بهره می‌برد. در همجوشی، این پدیده معکوس می‌شود. یعنی دو اتم سبک با هم ترکیب شده و اتم بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند.
شکافت هسته‌ای فناوری توسعه یافته‌ای است که امروزه معمولاً در راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود اما همجوشی هسته‌ای آینده‌ی امیدوارکننده‌ای از تولید انرژی مقرون‌به‌صرفه‌تر را نشان می‌دهد که زباله‌های رادیواکتیو کمی تولید می‌کند. با توجه به اینکه تقاضای جهانی برای برق از هم اکنون تا سال ۲۰۵۰ تقریباً دو برابر شده است، شکافت و همجوشی هر دو به طور بالقوه نقش مهمی در آینده‌ی تولید برق صنعتی کم کربن دارند.
شکافت هسته‌ای؛ فرآیندی اثبات‌شده در تولید برق
شکافت هسته‌ای زمانی اتفاق میفتد که یک نوترون به یک اتم سنگین و ناپایدار برخورد کند. این برخورد باعث می‌شود اتم به ۲ اتم سبک‌تر تقسیم شود. در این فرآیند، مقدار زیادی انرژی آزاد شده و شکافت‌های جدید اتم‌ها همچنان ادامه دارد که به عنوان یک واکنش زنجیره‌ای شناخته می‌شود.
در اصل، شکافت هسته‌ای توسط یک فیزیکدان اتریشی به نام لیز مایتنر و شیمیدان آلمانی، اتو هان کشف شد که در سال ۱۹۴۴ جایزه نوبل شیمی را برای اکتشافات خود دریافت کرد. تا دهه ۱۹۶۰ بود که با طراحی اولین راکتورهای عمرانی، فناوری شکافت در تولید برق مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان این فناوری به طور قابل توجهی تکامل یافته است.
در این عملیات، سوخت مورد استفاده اورانیوم ۲۳۵ است. ترکیب و خواص فیزیکی این ایزوتوپ اورانیوم کاملاً با فرآیند شکافت مناسب است. هسته‌ی اتم اورانیوم ۲۳۵ می‌تواند تحت تاثیر نوترون به دو قسمت تقسیم شود. در حال حاضر به جای استفاده از اورانیوم طبیعی، اورانیوم مورد استفاده به عنوان سوخت، غنی شده تا حاوی اورانیوم ۲۳۵ بیشتری باشد.
اکنون فناوری شکافت هسته‌ای توسعه یافته و سابقه اثبات شده‌ای دارد. این فناوری کمک می‌کند تا نیازهای برق جامعه برآورده شود. در حالی که این فناوری، انرژی کم کربن تولید می‌کند. امروزه راکتورها از فرآیند شکافت هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کنند.
در راکتورهای هسته‌ای چه اتفاقی میفتد؟
راکتورهای هسته‌ای قلب یک نیروگاه هسته‌ای هستند. واکنش‌های زنجیره‌ای هسته‌ای در راکتورها اتفاق افتاده و کنترل می‌شوند که معمولاً گرما را از طریق فرآیند شکافت تولید می‌کنند. از آن گرما برای تولید بخار استفاده می‌شود که توربین را برای تولید برق می‌چرخاند. در واقع کار اصلی یک راکتور، نگهداری و کنترل شکافت هسته‌ای است.
راکتورها از اورانیوم به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده می‌کنند. اورانیوم به گلوله‌های سرامیکی کوچک تبدیل می‌شود و در لوله‌های فلزی مهر و موم شده به نام میله‌های سوخت روی هم چیده می‌شود. به طور معمول، بیش از ۲۰۰ عدد از این میله‌ها برای تشکیل یک مجموعه سوخت در کنار هم قرار می‌گیرند. یک هسته‌ی راکتور معمولاً بسته به سطح توان از چند صد مجموعه تشکیل شده است.
در داخل مخزن راکتور، میله‌های سوخت در آب غوطه ور شده که هم به عنوان خنک کننده و هم به عنوان تعدیل کننده عمل می‌کند. تعدیل کننده به کاهش سرعت نوترون‌های تولید شده توسط شکافت کمک می‌کند تا واکنش زنجیره‌ای را حفظ کند.
سپس میله‌های کنترل را می‌توان برای کاهش سرعت واکنش به هسته‌ی راکتور وارد کرد یا برای افزایش از آن خارج کرد. گرمای ایجاد شده در اثر شکافت، آب را به بخار تبدیل کرده که توربین را برای تولید برق می‌چرخاند.
کشورهای پیشرو در تولید برق از انرژی هسته‌ای
براساس آمار سایت استاتیستا در سال ۲۰۲۳، کشور فرانسه در تولید برق از انرژی هسته‌ای پیشتاز بوده است. به نحوی که این کشور ۶۴.۸ درصد از کل برق شبکه‌ی خانگی خود را از طریق انرژی هسته‌ای تأمین کرده است. در رتبه‌ی بعدی کشورهای اسلواکی با ۶۱.۳ درصد و مجارستان با ۴۸.۸ درصد قرار دارند. در این رتبه‌بندی کشور ایران با ۱.۷ درصد تولید برق از انرژی هسته‌ای در مجموع کل تولید برق در کشور، در رتبه‌ی ۳۰ جهان جای گرفته است.
کلام آخر
به بیان ساده، یک نیروگاه هسته‌ای را می‌توان به یک دیگ آب عظیم تشبیه کرد. اورانیوم که در این حالت سوخت است، آب را گرم کرده و آن را به بخار تبدیل می‌کند. سپس این بخار تحت فشار قرار گرفته و از طریق توربین‌ها جریان می‌یابد. در نهایت، شفت چرخان توربین، مولد بزرگ برق را تغذیه کرده که برق تولید می‌کند.
این فرایندها برای نیروگاه‌هایی که از انواع دیگر سوخت مانند زغال سنگ، گاز یا نفت استفاده می‌کنند نیز یکسان است اما مزیت نیروگاه‌های هسته‌ای این است که عملیات تولید آن‌ها عاری از انتشار کربن است. به طور کلی، تأثیر منفی آن بر محیط زیست و آب و هوا عملاً صفر است.
